Les travaux de recherche de cette thèse portent sur deux parties: l'évaluation de l'auto-absorption des rayonnements gamma et l'étude de la fonction de réponse des capteurs à pixels actifs pour la dosimétrie en temps réel. Dans le processus d'analyse quantitative de la radioactivité par spectrométrie gamma, l'étalonnage en rendement de détection de la chaîne est une étape essentielle. Outre le problème des interférences, l'atténuation des photons dans l'échantillon et l'effet de sommation en cas de cascade de transitions gamma sont les deux principaux facteurs déterminants dans ce type d'analyse. Dans ce contexte des mesures expérimentales et des calculs de simulation Monte Carlo, ont été réalisés pour étudier le phénomène de la self-absorption et évaluer les effets de matrice dans le cas des échantillons volumineux. Cette étude a permis de corriger les analyses par spectrométrie gamma des phosphates marocains. La deuxième partie de la thèse consiste à appliquer des capteurs CMOS de type MIMOSA, dérivés de ceux développés par l'IReS et le LEPSI pour la physique des particules, à la détection de rayonnements de neutrons et alpha, pour en faire des dosimètres léectroniques impulsionnels personnels. Ces appareils doivent permettre de suivre en temps réel les concentations du radon dans des environnements variés. Des codes ont été élaborés pour l'acquisition et l'analyse des données enregistrées par un système conçu pour cette application. Des tests ont été effectués pour la détection du radon et descendants émanant d'une source de Radium. Les résultats de ces tests ont été comparés aux mesures obtenues par d'autres techniques passives et actives. Des calculs de simulation Monte Carlo de la fonction de réponse du système aux neutrons rapides à l'aide du code MCNP ont été effectués.

Les chaînes de réception de signaux satellitaires de navigation (GNSS), composées d'un récepteur, d'un câble d'antenne et d'une antenne, sont l'outil le plus utilisé lors de comparaisons d'horloges atomiques distantes nécessaires pour le calcul du Temps Atomique International (TAI). L'étalonnage de ces liens de temps, consistant à déterminer leur retard électrique lors de la propagation du signal au travers du système d'acquisition, est nécessaire afin de garantir leur exactitude et leur stabilité long-terme. Deux techniques d'étalonnage sont actuellement recensées : la méthode différentielle et la méthode en absolu. La technique différentielle consiste à comparer l'ensemble de la chaîne de réception à étalonner avec une chaîne de référence dont le retard est connu. Cette dernière circule de laboratoires en laboratoires afin que le BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) puisse déterminer le délai interne des équipements opérationnels installés dans les laboratoires visités. La technique d'étalonnage dite en absolu consiste à déterminer indépendamment le retard électrique interne de chaque élément de la chaîne de réception en utilisant des signaux simulés permettant de s'affranchir des bruits liés à la diffusion de signaux satellitaires. Le CNES développe cette technique depuis 2005. Les travaux de cette thèse contribuent au développement et à l'optimisation des méthodes d'étalonnage en absolu de chacun des éléments de la chaîne de réception afin de déterminer le retard global de le la chaîne d'acquisition avec une incertitude inférieure à une nanoseconde. Cette méthode d'étalonnage permet également de caractériser les performances de chacun des composants du système d'acquisition ainsi que la sensibilité thermique et hygrométrique des récepteurs.

La spectrométrie gamma est une des mesures non destructives passives la plus utilisée pour la quantification des radionucléides dans les déchets nucléaires. Le travail de thèse a pour but l'amélioration de l'exploitation du spectre gamma (c'est-à-dire après l'étape d'acquisition du spectre). L'exploitation des spectres se faisant en deux étapes (restituer les énergies et les surfaces nettes des pics contenus dans le spectre et déterminer le rendement de détection de la mesure), le travail de thèse s'est divisé en deux parties. Dans un premier temps, nous avons mis en place un procédé de validation qui quantifie les incertitudes engendrées par l'extraction des énergies et des surfaces et qui est applicable à n'importe quel logiciel de déconvolution. Avec ce procédé, nous avons étudié les performances de la déconvolution effectuée par le logiciel SINBAD. Le travail de thèse a ainsi permis de disposer d'un outil automatisé d'extraction des énergies et des surfaces nettes des pics d'absorption validé et dont les incertitudes sont quantifiées. Enfin, la deuxième partie de la thèse a permis de définir une méthode automatisée de calcul du rendement de détection, applicable à n'importe quel objet mesuré. La faisabilité de la méthode sur des cas simples a été attestée par le travail de thèse. L'extrapolation à des cas plus complexes devra faire l'objet d'études supplémentaires.

Nous présentons d'abord un système de tomographie optique fonctionnant en lumière blanche, avec un interféromètre de Linnik. La résolution tomographique obtenue est de l'ordre de 1,2 m dans l'air. Les capacités de l'instrument sont illustrées par des images tomographiques d'intérêt biomédical. D'autre part, nous présentons un polarimètre de Mueller à cristaux liquides nématiques optimisé pour la propagation des erreurs de mesures brutes aux images finales. Les mesures sont rapides (de l'ordre de la seconde) et précises (erreurs de l'ordre de 1%). Les images polarimétriques de coupes histologiques montrent l'intérêt de ce dispositif pour l'étude microscopique d'échantillons contenant des macromolécules fibreuses (collagène). Enfin, des images en degré de polarisation (DOP) de cols de l'utérus humains ex vivo viennent confirmer les possibilités de l'imagerie polarimétrique pour la détection de dysplasies (DOP plus élevé que dans les zones saines).

Ce travail est caractérisé par le fait qu'il se situe à la frontière entre technologie et recherche plus fondamentale. Le mémoire est organisé en 6 parties. Dans le chapitre 2, je donne un aperçu du travail mené dans le cadre du co-encadrement d'une thèse au sein de mon 1er laboratoire d'accueil, au CEA/Grenoble, dont l'objectif était de déterminer la distribution des populations ioniques dans un plasma de source ECR. Au chapitre 3, après avoir très brièvement rappelé les principes et techniques de l'analyse par faisceaux d'ions, je présente quelques caractéristiques de la microsonde nucléaire du CEA/Saclay en précisant ses spécificités. Le chapitre 4 donne quelques illustrations des applications dans le domaine des sciences des matériaux auxquelles j'ai participé au fil du temps. Les applications dans le domaine de la biologie, que j'ai contribué à développer au sein du laboratoire sont présentées au chapitre 5. Un développement important que j'ai mené sur la microsonde, ici à visée d'irradiation, est présenté au chapitre 6. Le chapitre 7 ouvre les perspectives de recherche qui me semblent intéressantes à développer dans les années à venir.

L'objectif de mon travail a été de développer, réaliser et tester un spectromètre de masse neutre afin d'étudier les exosphères planétaires : NIMEIS (Neutral and Ion Mass and Energy Imaging Spectrometer). Les particules présentes dans les exosphères planétaires peuvent s'interpréter comme la signature des processus d'interaction entre l'environnement des objets planétaires et leur atmosphère et/ou surface. Un instrument de mesure, capable de déterminer la masse et l'énergie des particules de l'exosphère a été imaginé afin d'identifier et caractériser ces processus. Un modèle numérique d'un spectromètre de masse et d'énergie pour la mesure des neutres et ions exosphériques a été développé afin de répondre aux objectifs instrumentaux imposés par notre connaissance de ces processus. A partir du modèle numérique obtenu, un prototype a été réalisé et des tests ont été effectués. En parallèle, j'ai travaillé sur le développement d'une source d'ionisation, également nécessaire pour le fonctionnement optimal du spectromètre de masse neutre, basée sur l'utilisation de nanotubes de carbone comme émetteurs d'électrons. Nous travaillons en collaboration avec un laboratoire Sud Coréen qui produit les nanotubes de carbone. Mon travail a permis de définir, concevoir et modéliser différents types de dispositifs pour parfaire l'extraction des électrons. J'ai également travaillé sur la définition et l'optimisation du modèle numérique de l'optique de l'instrument PICAM (Planetary Ion CAMera). PICAM est un spectromètre de masse d'ions de la mission Bepi-Colombo ayant pour objectif d'étudier l'exosphère ionisée de Mercure. La particularité de cet instrument est de mesurer la masse, l'énergie et de produire une image instantanée d'un champ de vue hémisphérique. L'optimisation du modèle s'est faite à partir d'un modèle numérique en partant du design de l'instrument DION de la mission Phobos-Grunt (Vaisberg et al. 2010). L'objectif de cette optimisation a consisté en la recherche d'une augmentation du facteur géométrique, indispensable dans le cadre de l'exploration de Mercure.

Le Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) construit actuellement en France le Laser Mégajoule (LMJ) qui devrait permettre d'obtenir la fusion par confinement inertiel avec gain, en attaque indirecte. Afin d'atteindre l'ignition thermonucléaire, la compression d'une cible sphérique devra être contrôlée par une série de chocs centripètes dont la chronométrie et le niveau seront précisément maîtrisés. Une première expérience, menée en 2010 sur la Ligne d'Intégration Laser (LIL) au CEA, dans le cadre de la campagne de chronométrie de chocs, nous a permis d'étudier la coalescence de deux chocs plans dans une cible de polystyrène en attaque indirecte. L'objectif était de valider le concept expérimental et les simulations numériques, démontrant le principe de campagnes futures qui devront à terme permettre d'atteindre les précisions souhaitées sur les temps et les vitesses. A cette fin, nous avons mis en oeuvre des diagnostics vélocimétriques (Velocity Interferometer System for Any Reflection - VISAR) et de visualization de débouché de choc, en prenant en compte les problèmes optiques liés au rayonnement X. En parallèle une expérience menée au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) en 2010, nous a donné l'occasion d'étudier la chronométrie de deux chocs plans en attaque directe grâce aux mêmes diagnostics. Cette dernière étude se rattache au concept d'allumage par choc, dans un but, à terme, de production d'énergie. Cette thèse présente ces deux expériences, avec leurs résultats.

Bien que souvent assez consommatrice en temps de calcul, la méthode Monte Carlo est l'algorithme de calcul qui modélise au plus près la physique liée aux processus de dépôts d'énergie. L'idée est d'utiliser les calculs Monte Carlo dans le traitement quotidien du cancer par rayonnement pour rivaliser avec les systèmes de planification de traitement (TPS) existants dans le but de délivrer une dose absorbée à la tumeur pour des traitements spécifiques. Pour atteindre cet objectif, deux points ont été particulièrement étudiés au cours de cette thèse : la validation de la plate-forme de simulation GATE pour des applications en dosimétrie utilisant des électrons, une étude particulière est faite concernant les traitements de curiethérapie oculaire utilisant des applicateurs ophtalmiques de 106Ru/106Rh, et le déploiement des simulations GATE dans un environnement de grille pour réduire les temps de calcul très élevés de ces simulations.<br />Des points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et poly-énergétiques ont été simulés en utilisant la plate-forme GATE et comparés à d'autres codes Monte Carlo. Trois versions des packages de librairies ont été utilisées pour les comparaisons (5.2, 6.2 et 7.0). Les résultats montrent que l'implémentation de la diffusion multiple est responsable des différences observées entre les codes. Les simulations de traitements de curiethérapie oculaire comparées avec d'autres Monte Carlo et des mesures montrent un bon accord. La transcription des unités Hounsfield, à partir des données scanner sur l'anatomie du patient, en paramètres tissulaires est l'autre étude présentée pour une utilisation prochaine de GATE sur des images voxélisées pour la dosimétrie personnalisée. Les infrastructures des projets DataGrid puis d'EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul dans le but de les utiliser en routine clinique.<br />La méthode utilisée pour paralléliser les simulations GATE est la division du générateur de nombres aléatoires (RNG) en séquences indépendantes. Des tests de temps de calcul réalisés sur des bancs tests de grille montrent qu'un gain significatif est obtenu. Les fonctionnalités pour diviser, lancer et contrôler les simulations GATE sur une infrastructure de grille ont été implémentées sur le portail web GENIUS. Un premier prototype de ce portail est accessible à partir d'un centre hospitalier pour l'utilisation de la précision des algorithmes Monte Carlo de manière transparente et sécurisée pour des traitements de cancer de l'œil.

Ce travail a consisté à collecter puis étudier pour la première fois les formes de signaux de courant issus de détecteurs silicium lors de l'interaction des particules chargées ou des ions lourds avec ces derniers. Ce document est divisée en deux grandes parties. La première consistait à dépouiller les données expérimentales obtenues avec des particules chargées ainsi que des ions lourds. Ces expériences se sont déroulées au Tandem d'Orsay et auprès du GANIL en utilisant la ligne LISE. Ces deux expériences nous ont permis de créer une base de données formée de signaux de courant avec différentes formes et différents temps de collection. La deuxième partie consistait à réaliser une simulation des signaux de courant issus des différents ions. Pour obtenir cette simulation nous avons pu développer un nouveau modèle décrivant la formation du signal. Nous avons utilisé la base de données des signaux obtenus expérimentalement afin de contraindre les trois paramètres de notre modèle. Dans ce modèle, les porteurs de charges créés sont considérés comme des dipôles et ainsi leur densité est reliée à la polarisation diélectrique dans le détecteur silicium. Ce phénomène induit une augmentation de constante diélectrique tout au long de la trace de l'ion incident et par conséquent le champ électrique entre les électrodes du détecteur est diminué à l'intérieur de la trace. Nous avons couplé à ce phénomène un mode de dissociation et d'extraction des porteurs de charges afin qu'ils puissent se mettre en mouvement dans le champ électrique.

Ce travail porte sur une nouvelle approche de la dosimétrie des rayonnements ionisants par mesure de fluorescence résolue en temps. Nous avons montré qu'il était possible de corréler la dose reçue par un scintillateur à la quantité de lumière émise par celui-ci, lorsque celle-ci est mesurée selon la technique de comptage de photon unique. D'un point de vue fondamental, nous avons décrit les différents processus conduisant à l'émission de lumière par un milieu lorsque celui-ci est traversé par un rayonnement ionisant. Nous nous sommes servis, entre autres, du modèle de Voltz qui décrit le comportement temporel de l'émission de fluorescence, notamment en explicitant celle-ci comme l'addition d'un processus rapide et d'un processus différé. Le développement d'une plateforme d'expérience multimodale nous a permis de mesurer, de manière innovante, la quantité de lumière émise sous différents transferts linéique d'énergie. Cette plateforme permet notamment l'étude cinétique, à l'échelle nanoseconde sous irradiation continue et à différentes températures, des phénomènes qui sont à l'origine de la fluorescence différée. D'un point de vue dosimétrie, nos résultats montrent, d'une part, que cette méthodologie permet d'obtenir, en hadronthérapie, des profils de doses mieux définis que les méthodes de mesures traditionnellement utilisées. D'autre part, un prototype de dosimètre, également développé durant ce travail, basé sur l'utilisation de fibres optiques scintillantes, a montré des résultats prometteurs quant à la possibilité d'utiliser cette technique de mesure dans la dosimétrie X et gamma en milieu médical.